Điều khiển tốc độ động cơ DC qua bộ chỉnh lưu toàn kỳ 1 pha

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN …………………………………………………... 1.1 Giới thiệu các linh kiện bán dẫn ………………………………………….. 1.2 Máy điện một chiều ……………………………………………………… 1.2.1 Cấu tạo máy điện một chiều ……………………………………….. 1.2.2 Nguyên lý làm việc ………………………………………………… 1.2.3 Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều ……………… 1.2.4 Công suất điện từ. Mômen điện từ của máy điện một chiều ……….. 1.2.5 Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục …………………… 1.2.6 Phân loại máy phát một chiều ………………………………………. 1.2.7 Phân loại động cơ một chiều ………………………………………... CHƢƠNG 2: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ………………………………… 2.1 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều ………………….... 2.1.1 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ một chiều ………………………………. 2.1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều ……………… Đồ án môn học 1 GVHD: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Phạm Quốc Thái 2.2 Khởi động động cơ …………………………………………………………. 2.3 Các trạng thái hãm …………………………………………………………. CHƢƠNG 3: HỆ THỐNG BỘ CHỈNH LƢU …………………………………... 3.1 Bộ chỉnh lưu ………………………………………………………………… 3.2 Các thông số đánh giá chất lượng của hệ ………………………………….... 3.3 Phân loại bộ chỉnh lưu ………………………………………………………. 3.4 Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn ………………………………. CHƢƠNG 4: MẠCH THỰC TẾ …………………………………………………. 4.1 Mạch mô phỏng ……………………………………………………………... 4.1.1 Mô phỏng psim ………………………………………………………... 4.1.2 So sánh thực tế ………………………………………………………... 4.2 Mạch thực tế ………………………………………………………………… 4.2.1 Các khối mạch điều khiển thyristor ……………………………………. 4.2.2 Mô phỏng proteus …………………

Đồ án môn học 1 GVHD: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Phạm Quốc Thái ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 1.Thái độ tác phong và nhận thức trong quá trình thực hiện đồ án: 2.Hình thức, thể thức trình bày đồ án: 3. Kiến thức chuyên môn: 4.Đánh giá khác: 5.Đánh giá kết quả: GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ThS. Phan Thanh Hoàng Anh Đồ án môn học 1 GVHD: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Phạm Quốc Thái LỜI CÁM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy ThS. Phan Thanh Hoàng Anh, trên cương vị là người hướng dẫn đề tài, đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu đã cung cấp cho em những kiến thức quý báu làm nền tảng cho những nghiên cứu của em trong luận văn. Con xin gửi lời tri ân sâu sắc tới ba mẹ, những người đã sinh thành, chỉ dạy, nuôi dưỡng và quan tâm chăm sóc để con có được ngày hôm nay. Và sau cùng, xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã luôn có những hỗ trợ, động viên, giúp đỡ trong những năm tháng trên giảng đường đại học và trong quá trình hoàn thành luận văn này./. Vũng Tàu, ngày 28 tháng 5 năm 2014 Sinh viên thực hiện Phạm Quốc Thái Đồ án môn học 1 GVHD: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Phạm Quốc Thái MỤC LỤC Trang ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN LỜI CÁM ƠN MỤC LỤC CHƢƠNG 0: MỞ ĐẦU .……………………………………………………… 3 0.1 Đặt vấn đề ………………………………………………………………… 0.2 Tính cần thiết của đề tài ………………………………………………… 0.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài …………………………… CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ………………………………………………… 1.1 Giới thiệu các linh kiện bán dẫn ………………………………………… 1.2 Máy điện một chiều ……………………………………………………… 1.2.1 Cấu tạo máy điện một chiều ……………………………………… 1.2.2 Nguyên lý làm việc ………………………………………………… 1.2.3 Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều ……………… 1.2.4 Công suất điện từ. Mômen điện từ của máy điện một chiều ……… 1.2.5 Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục …………………… 1.2.6 Phân loại máy phát một chiều ………………………………………. 1.2.7 Phân loại động cơ một chiều ……………………………………… CHƢƠNG 2: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ………………………………… 2.1 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều ………………… 2.1.1 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ một chiều ………………………………. 2.1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều ……………… Đồ án môn học 1 GVHD: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Phạm Quốc Thái 2.2 Khởi động động cơ …………………………………………………………. 2.3 Các trạng thái hãm …………………………………………………………. CHƢƠNG 3: HỆ THỐNG BỘ CHỈNH LƢU ………………………………… 3.1 Bộ chỉnh lưu ………………………………………………………………… 3.2 Các thông số đánh giá chất lượng của hệ ………………………………… 3.3 Phân loại bộ chỉnh lưu ………………………………………………………. 3.4 Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn ………………………………. CHƢƠNG 4: MẠCH THỰC TẾ …………………………………………………. 4.1 Mạch mô phỏng …………………………………………………………… 4.1.1 Mô phỏng psim ……………………………………………………… 4.1.2 So sánh thực tế ……………………………………………………… 4.2 Mạch thực tế ………………………………………………………………… 4.2.1 Các khối mạch điều khiển thyristor ……………………………………. 4.2.2 Mô phỏng proteus ……………………………………………………… CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ……… 5.1 Kết luận …………………………………………………………………… 5.2 Hướng phát triển của đề tài ………………………………………………… TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………… Đồ án môn học 1 GVHD: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Phạm Quốc Thái CHƢƠNG 0 MỞ ĐẦU 0.1 Đặt vấn đề Bộ chỉnh lưu hiện nay không phải là một khái niệm mới mẻ nữa, nó đã hiện hữu trên tất cả các quốc gia trên thế giới và hiện đang đóng một vai trò rất quan trọng trong các ngành công nghiệp và ngành điện. Đối với ngành công nghiệp, khả năng biến đổi năng lượng từ năng lượng điện sang năng lượng cơ, từ nguồn điện có tần số này sang nguồn điện có tần số khác đóng một vai trò hết sức quan trọng và chiếm ưu thế bởi tính năng đặc trưng vượt trội đó của nó. Đối với ngành điện khả năng lọc, bù …cũng có một ý nghĩa hết sức quan trọng. Điện tử công suất là một giải pháp nhằm giải quyết các khó khăn trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Kỹ thuật điện tử công suất kế thừa nền tảng kỹ thuật khuyếch đại tín hiệu và sau đó phát triển thành các nguồn công suất cao. Điện tử công suất có nhiều ưu điểm nhưng quan trọng nhất là khả năng điều khiển máy điện và điều khiển dòng công suất điện từ. Trong suốt thập niên 80 và 90, sự phát triển của điện tử công suất cho phép thực hiện các hệ thống mới và hoàn thiện dần các hệ thống đang tồn tại, trước hết đó là do điện tử công suất có thể sử dụng điều khiển cơ cấu truyền động, các bộ lọc tích cực, bù nhuyễn công suất phản kháng,… Ngày nay, các bộ chuyển đổi tĩnh có thể nối với hệ thống với nhiều đặc tính điện khác nhau: Ví dụ bộ chuyển mạch nối 2 hệ thống DC với các mức điện áp khác nhau, trong khi đó các bộ chỉnh lưu chuyển đổi điện năng từ AC thành DC theo dạng biên độ và tần số. Tuy nhiên cấu hình bộ chuyển đổi đang tồn tại ngày nay còn nhiều hạn chế vì những giới hạn của thiết bị bán dẫn. 0.2 Tính cần thiết của đề tài Máy điện 1 chiều không chỉ tồn tại mà còn không thể thiếu ở những nơi yêu cầu mômen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phẳng và phạm vi rộng. Trong các thiết bị tự động, người ta thấy các máy điện khuếch đại, các động cơ chấp hành cũng là máy điện một chiều. Ngoài ra các máy điện một chiều còn thấy Đồ án môn học 1 GVHD: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Phạm Quốc Thái trong các thiết bị điện ô tô, tàu thủy, máy bay, các máy phát điện một chiều điện áp thấp dùng trong các thiết bị điện hóa, thiết bị hàn điện có chất lượng cao. 0.3. Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài Mục tiêu của đề tài là điều khiển tốc độ động cơ qua bộ chỉnh lưu toàn kỳ 1 pha. Nhiệm vụ của đề tài là nắm được cơ sở lý thuyết về bộ chỉnh lưu, động cơ điện 1 chiều, điều khiển tốc độ động cơ qua bộ chỉnh lưu toàn kỳ 1 pha cũng như thiết kế mạch thực tế về đề tài đang nghiên cứu. Đồ án môn học 1 GVHD: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Phạm Quốc Thái CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu các linh kiện bán dẫn Bán dẫn là chất mà trong nhiệt độ bình thường nó là chất cách điện, khi đạt đến một nhiệt độ nhất định nào đó nó chuyển thành chất dẫn điện. Hiện nay chất bán dẫn thường dùng là silic, silic tinh chất có cấu trúc tinh thể rất bền vững. Ở nhiệt độ thấp, nó không có các điện tích tự do và hoạt động như một chất cách điện. Khi đạt đến nhiệt độ nhất định nó sẽ trở nên dẫn điện. Hỗn hợp silic với các nguyên tố khác có ảnh hưởng rất lớn đến độ dẫn điện của silic. Một của hỗn hợp silic chứa thừa điện tích tự do và các điện tích này trở thành hạt dẫn điện, hỗn hợp này tạo thành chất bán dẫn loại N. Một số hỗn hợp của silic thiếu điện tử: chúng có lỗ trống. Các lỗ trống tạo thành thành phần dẫn điện chủ yếu. Hỗn hợp này tạo thành bán dẫn loại P với độ dẫn điện loại P. Lớp tiếp xúc PN: là vùng trong bán dẫn mà vùng dẫn điện loại P được chuyển thành loại N. Đặc tính V-A: biểu diễn quan hệ giữa dòng điện đi qua hai cực của linh kiện và điện áp đặt giữa hai cực đó. Các giá trị điện áp và dòng điện này được hiểu là giá trị điện áp và dòng điện một chiều không đổi.  Phân loại linh kiện bán dẫn theo khả năng điều khiển Các linh kiện bán dẫn công suất trong lĩnh vực điện tử công suất có hai chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện đi qua nó. Trạng thái linh kiện dẫn điện (đóng) là trạng thái linh kiện có tác dụng như một điện trở rất bé (gần như bằng 0). Độ lớn dòng điện đi qua linh kiện phụ thuộc trạng thái mạch điện lúc linh kiện đóng và độ sụt áp trên linh kiện nhỏ không đáng kể. Trạng thái linh kiện không dẫn điện (ngắt) là trạng thái linh kiện có tác dụng trong mạch như một điện trở rất lớn. Dòng điện đi qua linh kiện có độ lớn không đáng kể, độ lớn điện áp đặt trên linh kiện phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của mạch điện bên ngoài. Đồ án môn học 1 GVHD: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Phạm Quốc Thái Do đó, linh kiện bán dẫn hoạt động với hai chế độ làm việc đóng và ngắt dòng điện xem là lý tưởng nếu ở trạng thái dẫn điện nó có độ sụt áp bẳng không và ở trạng thái không dẫn điện, dòng điện qua nó bằng không. Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc của mình, từ trạng thái không dẫn điện (ngắt) sang trạng thái dẫn điện (đóng) và ngược lại thông qua tác dụng kích thích của tín hiệu lên cổng điều khiển (ngõ vào) của linh kiện, ta gọi linh kiện có tính điều khiển. Tín hiệu điều khiển có thể tồn tại dưới dạng dòng điện, điện áp, ánh sáng với công suất thường nhỏ hơn so với công suất của nguồn và tải. Trong trường hợp linh kiện không chứa cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc của linh kiện xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất ở ngõ vào, ta gọi linh kiện thuộc loại không điều khiển (diode, diac). Nếu thông qua cổng điều khiển, tín hiệu chỉ tác động đến chức năng đóng dòng điện mà không thể tác động làm ngắt dòng qua nó, ta gọi linh kiện không có khả năng kích ngắt (thyristor, triac) Ngược lại, các linh kiện có thể thay đổi trạng thái từ dẫn điện sang ngắt điện và ngược lại thông qua tác dụng của tín hiệu điều khiển, được gọi là linh kiện có khả năng kích ngắt như transistor (BJT, MOSFET, IGBT), GTO, IGCT, MCT, MTO. Tín hiệu điều khiển lên mạch cổng điều khiển chỉ có tác dụng khi trạng thái điện áp đặt vào hai cực chính ở ngõ ra của linh kiện có chiều phân cực và độ lớn phù hợp.  Thyristor (SCR) Đồ án môn học 1 GVHD: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Phạm Quốc Thái Hình 1.1: Thyristor (SCR) - Cấu tạo và đặc điểm hoạt động của SCR + Dùng cho mạch công suất lớn + Gồm 4 lớp p,n với 3 cực ngoài Anode (A), Cathode (K), Gate (G). + Mạch điều khiển được kết nối giữa cực G và K. Mạch công suất được kết nối giữa A và K. + Linh kiện được điều khiển bằng dòng. Xung dòng I G kích đóng SCR + Không kích ngắt, dòng qua SCR đang dẫn i f bị ngắt khi giá trị dòng này thấp hơn dòng duy trì i h : i f < i h = 0 + Định mức SCR: áp vài KV, dòng vài KA - Các tính chất và ba trạng thái cơ bản của SCR Đồ án môn học 1 GVHD: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Phạm Quốc Thái + Trạng thái khóa áp nghịch (SCR ngắt) Nếu SCR bị ngắt, thì anode có thể chịu được điện áp âm so với cathode + Trạng thái khóa áp thuận (SCR ngắt) Ngược lại so với nghịch, nếu SCR bị ngắt, thì anode có thể chịu được điện áp dương so với cathode +Trạng thái đóng (SCR dẫn thuận)  Quá trình đóng ngắt của SCR - Hiện tượng đóng SCR: tức chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện có thể thực hiện nếu thỏa cả 2 điều kiện sau: 1. Thyristor ở trạng thái khóa 2. Có xung dòng điện kích i G đủ lớn (i G > 0) [...]... khiển: + Bộ chỉnh lưu không điều khiển + Bộ chỉnh lưu có điều khiển Bộ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển - Theo cách đấu dây: SVTH: Phạm Quốc Thái Đồ án môn học 1 GVHD: ThS Phan Thanh Hoàng Anh + Bộ chỉnh lưu 1 pha + Bộ chỉnh lưu 3 pha - Theo chu kỳ chỉnh lưu: + Bộ chỉnh lưu bán kỳ: đối xứng và không đối xứng + Bộ chỉnh lưu toàn kỳ Bộ chỉnh lưu 1 pha bán kỳ đối xứng Bộ chỉnh lưu 1 pha bán kỳ không đối xứng... chỉnh lưu 1 pha bán kỳ không đối xứng SVTH: Phạm Quốc Thái Đồ án môn học 1 GVHD: ThS Phan Thanh Hoàng Anh Bộ chỉnh lưu 1 pha toàn kỳ Nhận xét: nội dung đồ án là điều khiển tốc độ động cơ qua bộ chỉnh lưu toàn kỳ 1 pha nên ta chỉ xét sâu đến bộ chỉnh lưu toàn kỳ 1 pha có điều khiển 3.4 Bộ chỉnh lƣu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn SVTH: Phạm Quốc Thái ... phát DC (hệ máy phát – động cơ) + Bộ chỉnh lưu có điều khiển (AC → DC) + Bộ chopper (bộ biến đổi xung áp) (AC → AC) b) Phương pháp điều khiển từ thông Điều khiển từ thông khi cần tăng tốc độ làm việc của động cơ cao hơn tốc độ định mức Tốc độ cao nhất của động cơ đạt được khi giảm từ thông đến mức hạn chế SVTH: Phạm Quốc Thái Đồ án môn học 1 GVHD: ThS Phan Thanh Hoàng Anh - Với động cơ kích từ độc lập,... để động cơ hoạt động tương tự như một động cơ kích từ độc lập Hãm động năng (Dynamic braking) SVTH: Phạm Quốc Thái Đồ án môn học 1 GVHD: ThS Phan Thanh Hoàng Anh Việc hãm động năng với động cơ DC được thực hiện bằng cách ngắt nguồn cung cấp ra khỏi động cơ và nối phần ứng động cơ qua một điện trở thích hợp Động cơ lúc này như một máy phát tạo ra mômen hãm  Sơ đồ đấu dây của động cơ DC kích từ độc... hoạt động gấp hai lần tốc độ định mức Do đó, động cơ kích từ nối tiếp không được dùng với các ứng dụng trong đó mômen tải có thể nhỏ đến mức làm cho tốc độ động cơ vượt quá giới hạn cho phép * Từ công thức (2.3) biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ - mômen động cơ, có thể thấy rằng tốc độ động cơ có thể điều khiển bằng 3 phương pháp sau: 1- Điều khiển điện áp phần ứng 2- Điều khiển từ thông 3- Điều khiển. .. tại bất kỳ tốc độ - mômen nào giữa đường đặc tính tự nhiên và trục mômen Vì điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dưới định mức, phương pháp này chỉ để điều khiển động cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn đặc tính tự nhiên Hình 2 .1: Các đặc tính cơ khi điều khiển điện áp phần ứng của động cơ a) Động cơ kích từ động lập b) Động cơ kích từ nối tiếp Điện áp phần ứng động cơ có thể điều khiển bằng cách... và tốc độ giảm theo tải, động cơ kích từ nối tiếp thích hợp trong chế độ tải nặng nề, được sử dụng nhiều trong giao thông vận tải hay các thiết bị cần trục SVTH: Phạm Quốc Thái Đồ án môn học 1 GVHD: ThS Phan Thanh Hoàng Anh CHƢƠNG 2 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2 .1 Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều 2 .1. 1 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ một chiều Với động cơ DC kích từ độc lập, dòng phần ứng... dạng một chiều để truyền tải đi xa (HVDC) Bộ chỉnh lưu còn tạo thành một bộ phận trong thiết bị biến tần, cycloconventer dùng trong truyền động động cơ xoay chiều Công suất của các bộ chỉnh lưu có thể từ vài trăm W đến hàng chục MW 3.2 Các thông số đánh giá chất lƣợng của hệ Khi động cơ hoạt động với bộ chỉnh lưu có điều khiển, dòng qua động cơ không phải là hằng số Điều này ảnh hưởng đến chất lượng đáp... đương của động cơ DC kích từ độc lập trong chế độ hãm tái sinh được biểu diễn ở hình 2.3 SVTH: Phạm Quốc Thái Đồ án môn học 1 GVHD: ThS Phan Thanh Hoàng Anh Hình 2.3: Động cơ DC kích từ độc lập ở chế độ hãm tái sinh Trong chế độ hãm tái sinh, sức điện động E cần phải lớn hơn nguồn cung cấp V và dòng qua động cơ chạy theo hướng ngược lại so với chế độ động cơ Khi sử dụng bộ biến đổi bán dẫn, cần lưu ý là... học 1 GVHD: ThS Phan Thanh Hoàng Anh 2 .1. 2 Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều a) Phương pháp điều khiển điện áp phần ứng Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và kích từ nối tiếp khi điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ được vẽ trên hình 2 .1 Các đặc tính này được suy ra từ (2.3) với điện áp U thay đổi Bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, động cơ có thể làm việc tại bất kỳ . là điều khiển tốc độ động cơ qua bộ chỉnh lưu toàn kỳ 1 pha. Nhiệm vụ của đề tài là nắm được cơ sở lý thuyết về bộ chỉnh lưu, động cơ điện 1 chiều, điều khiển tốc độ động cơ qua bộ chỉnh lưu. độ động cơ một chiều ………………… 2 .1. 1 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ một chiều ………………………………. 2 .1. 2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều ……………… Đồ án môn học 1 GVHD: ThS. Phan Thanh. 1. 2.6 Phân loại máy phát một chiều ………………………………………. 1. 2.7 Phân loại động cơ một chiều ……………………………………… CHƢƠNG 2: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ………………………………… 2 .1 Các phương pháp điều khiển tốc độ động